Cosa sono i Gamma Ray Burst (GRB)?

I gamma ray burst (GRB) sono improvvisi lampi di raggi gamma che, grazie all’incredibile quantità di energia emessa, sovrastano ogni altra sorgente luminosa. Possono avvenire in ogni punto dello spazio e la loro breve durata ne rende difficile lo studio.

Il meccanismo di produzione si basa principalmente sull’emissione di due raggi, uno primario di breve durata sotto forma di raggi gamma e uno secondario detto afterglow che può durare anche alcuni minuti, che viene emesso in tutto lo spettro rimanente; è grazie all’afterglow che possiamo studiare i GRB. La loro frequenza varia in un range di 0, 24 10^19 Hz < < 1, 25 10^23 Hz.

Per capire cosa sia un GRB è necessario, innanzitutto, capire che i raggi gamma sono un tipo di luce. Infatti essi sono la forma più energetica di luce nota. La luce è una forma di energia chiamata radiazione elettromagnetica. Le radiazioni elettromagnetiche sono piccoli pacchetti di energia chiamati fotoni. I fotoni sono disponibili in una vasta gamma di energie. La radiazione elettromagnetica può essere collocata in una disposizione ordinata, secondo la quantità di energia dei fotoni, nota come spettro elettromagnetico.

Nella foto sopra è rappresentato lo spettro elettromagnetico, a sinistra in alto, alle basse energie dello spettro, troviamo le onde radio. Hanno una lunghezza d’onda lunga. Man mano che ci si sposta verso destra si arriva alle alte energie, dove troviamo appunto i raggi gamma. Essi possiedono una lunghezza d’onda corta. Per le onde elettromagnetiche, il rapporto tra lunghezza d’onda ed energia è una relazione inversa. Più breve è la lunghezza d’onda, maggiore è l’energia; più lunga è la lunghezza d’onda e viceversa.

Gli esseri umani possono solo vedere la luce che cade nella gamma visibile dello spettro. La luce visibile è nel mezzo dello spettro e rappresenta una piccola percentuale del campo dell’energia rispetto al suo intero. Se si dovesse studiare l’Universo solo attraverso lo spettro del visibile, la stragrande maggioranza degli eventi sarebbero inosservabili: oggi grazie a notevoli progressi tecnologici,  gli astronomi hanno la possibilità di visualizzare l’universo dalle onde radio ai raggi gamma.

Al momento non si conosce fenomeno astrofisico (tranne il Big Bang ) che sia più potente dei GRB. L’energia emessa in un GRB è pari a 10^54 erg/s. Per dare una stima della potenza, rapportando l’energia emessa con quella del Sole, viene emessa più energia da un GRB in un secondo che dal Sole in tutta la sua vita. I GRB sono stati scoperti nel 1967 grazie ai satelliti Vela, inviati nello spazio per scopi puramente militari (furono infatti costruiti per monitorare eventuali esplosioni nucleari causate dalla Russia nel periodo della Guerra Fredda), i quali rilevarono raggi gamma provenienti dallo spazio e non dalla Terra.

All’inizio si pensò fossero generati da qualche civiltà extraterrestre, poi si capì che erano dei fenomeni astrofisici. Infatti la scoperta venne annunciata solo nel 1973 e nei successivi anni sono stati mandati nello spazio numerosi satelliti, per studiare questi particolari fenomeni. A causa della varietà con cui si presentano i GRB, sono stati costruiti numerosi modelli per descrivere questi fenomeni, ma non esiste ancora una teoria definitiva ed esauriente che descriva in modo unificato i vari modelli.

I gamma ray burst sono suddivisi in due classi principali, in base alla loro durata ed energia, e l’unica caratteristica che li accomuna è l’afterglow (anche se ha energia diversa a seconda del tipo di GRB):

• SHORT GAMMA RAY BURSTS (SGRB) –  sono emissioni di raggi gamma della durata massima di 2 s. Sono stati osservati in galassie che ospitano una vasta gamma di formazioni stellari. Queste galassie hanno propietà diverse da quelle che ospitano i LongGRB e ciò fa pensare che abbiano origini differenti. L’ipotesi più probabile è che SGRBs si formino da generazioni di stelle vecchie, date dalla fusione di stelle compatte. L’energia emessa da un SGRB è solitamente più bassa rispetto a quella emessa da un LGRB: è dell’ordine di E 10^50 erg. Hanno un afterglow molto debole e difficilmente si riesce a misurare il getto di emissione.
• LONG GAMMA RAY BURSTS (LGRB) – si formano solitamente in galassie con formazione di giganti blu. Queste galassie hanno una percentuale di metalli più bassa rispetto alle galassie che formano gli SGRBs. L’ipotesi di formazione più plausibile per i LGRBs è quella per cui si formano in seguito al collasso di stelle massive in oggetti più compatti, principalmente buchi neri. La durata di emissione di raggi gamma è attribuita solitamente al tempo di accrescimento di materia che si distribuisce intorno al buco nero. . La luminosità di un LGRB può arrivare anche a E 10^55 erg, il che li rende i fenomeni più luminosi dell’universo. Tramite l’analisi spettroscopica dei LGRBs è possibile risalire alla composizione chimica delle galassie che li ospitano ed è inoltre possibile ricavare informazione sulla formazione stellare che avviene in quelle galassie.
• ALTRE CLASSI DI GRB – Fino al 2006 le classi note di GRB erano le due sopra riportate. In seguito, grazie al satellite Swift venne introdotta una terza classe di GRB , detta ibrida . Questa classe nacque grazie alla scoperta del GRB 060614 . Si pensava all’inizio che fosse un LGRB vista la durata di 102 secondi ; ma nel luogo di origine del lampo non si trovò nessuna esplosione di supernova, così come era stato teorizzato. La galassia in cui è stato scoperto il GRB ibrido si trova a 1,6 miliardi di anni luce da noi e presenta un tasso molto basso di formazione stellare e scarsità di stelle massicce che possono esplodere in supernovae generando poi LGRB. Ancora non si conosce il fenomeno che li ha generati. L’ipotesi più plausibile è che sia presente in quel punto un buco nero che ha risucchiato la maggior parte della materia espulsa da una precedente esplosione di supernova, fenomeno che non è stato possibile osservare.

Gli scienziati hanno messo a punto il modello palla di fuoco (Fireball) dei GRB, dove viene spiegato come nel momento dell’esplosione, una frazione dell’energia totale  si concentra in una palla di fuoco  formata da coppie di elettrone-positrone, raggi gamma e barioni, tutto questo in presenza di un campo magnetico avente un energia non trascurabile. L’energia della palla di fuoco è osservata attraverso l’emissione di raggi gamma, seguita da una radiazione residua (afterglow) composta da fotoni che vanno scendendo sequenzialmente dai raggi X fino alle frequenze delle onde radio.

Data l’alta energia con cui avvengono i GRB, gli scienziati devono esaminare solo quei corpi celesti che possono emettere tali energie in così poco tempo. Tutto fa pensare che siano corpi molto compatti. L’ipotesi più probabile è che si formino in seguito al collasso di stelle massicce di vita molto breve oppure di sistemi binari di stelle di neutroni.

L’ipotesi che i gamma ray burst siano prodotti dalle supernovae è stata la prima ipotesi da quando sono stati scoperti. Infatti, rilevamenti con vari satelliti confermano questa possibilità, tuttavia ci si trova dinanzi ad un problema di tipo energetico: se fosse verificata questa origine, allora si avrebbero GRB di 5 ordini di grandezza più piccoli in termini di energia.

Il problema più importante è dovuto al fatto che gli afterglow, rilevati in questo tipo di GRB, non soddisfavano gli aumenti temporanei di luminosità osservati. Il voler rendere unico il modello per poter descrivere ogni tipo di gamma ray burst ha introdotto l’idea che per avere l’energia di un GRB debba essere presente un disco di accrescimento di almeno un decimo di massa solare su un oggetto compatto (come un buco nero) che alimenta questa energia grazie alla propria energia gravitazionale. Di conseguenza si ha che la durata del fenomeno dipende dal tempo di accrescimento del disco.

La teoria prevedere quattro modi per avere un buco nero tale da poter avere un disco di accrescimento con massa un decimo di quella solare, e quindi tale da poter permettere la formazione di gamma ray burst:

• FUSIONE TRA BUCO NERO E STELLA DI NEUTRONI – la stella di neutroni viene letteralmente distrutta dal buco nero lasciando solo un disco di accrescimento e un buco nero di massa più grande ( circa 10 masse solari). I GRB che scaturiscono da questo evento hanno tempi e luminosità leggermente diversi dagli altri. Fino ad ora, anche se questa formazione risulta tra le più probabili, non è stata ancora osservata.
• FUSIONE TRA STELLA DI NEUTRONI E NANA BIANCA – se la nana bianca supera il limite di Roche ( distanza minima oltre la quale un oggetto perde la propria coesione a causa della sola forza di gravità del corpo attraente ) e ha una massa molto simile a quella della stella di neutroni, allora il sistema diventa instabile e si forma un disco di accrescimento dovuto alla disgregazione della nana bianca. Ciò porta la stella di neutroni a collassare in un un buco nero. Il tasso di accrescimento del disco potrebbe permettere la formazione di un GRB.
• FUSIONE DI DUE STELLE DI NEUTRONI – E’ considerato il modo più frequente di formazione di gamma ray burst. Le stelle di neutroni si avvicinano , come nel caso tra un buco nero e una stella di neutroni, per effetto di perdita di momento angolare dovuto alle emissioni di onde gravitazionali, e si fondono dando origine ad un buco nero di circa 2,5 masse solari e con un disco di accrescimento pari a un decimo della massa solare.
• HYPERNOVA – L’ipernova è un esplosione stellare come la supernova, solo che il rilascio di energia è 100 volte superiore. L’ipotesi più plausibile è che in seguito ad un ipernova si formi sempre un gamma ray burst che non è altro quindi che una conseguenza di quest’evento.

Fonti:

• Studio dei meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici di alta energia – M. Settimo Tesi di Laurea Università degli Studi di Lecce – 2004
• Gamma-Ray Burst observations by the Square Kilometre Array. New perspectives – 2015
• Hystory of Gamma Ray Bursts